Для измерения напряжения и других величин, функционально с ним связанных (например, мощности), применяются электрометры – приборы с тремя электродами, находящимися под разными потенциалами. Наиболее распространены квадрантные электрометры с подвижными электродами – бисквитом и двумя парами неподвижных электродов – квадрантов (противоположные квадранты электрически соединены между собой). В электрометрах можно использовать напряжение вспомогательного источника, что позволяет повысить чувствительность при измерениях на постоянном токе (потенциала, заряда). Применяют три схемы включения.
При двойном включении:
Рис. 4.26. Электрометр с двойным включением
Одна пара квадрантов соединяется с подвижными электродом (зажимы А и Б), а другая заземляется (зажимы В и Э). Измеряемое напряжение Ux прикладывается между неподвижными электродами и выполняет функцию вспомогательного напряжения. В этом случае электрометр представляет собой электростатистический вольтметр с квадратичным характером шкалы.
При бисквитном включении:
Рис.4.27. Электрометр с бисквитным включением
На подвижный электрод (зажим А) подается измеряемое напряжение Ux, а на неподвижные электроды (зажимы Б и В) вспомогательное напряжение от дополнительного источника питания (того же рода, что и измеряемое напряжение, постоянное или переменное). Симметричный делитель r-r образует искусственную общую среднюю точку, с которой соединяется второй полюс источника измеряемого напряжения Ux и экран прибора. В этом случае вращающий момент Х, то есть пропорционален Ux (при постоянном напряжении), и шкала электрометра равномерна.
При квадрантном включении:
Рис.4.28. Электрометр с квадрантным включением
На подвижный электрод (зажим А) подается вспомогательное напряжение Uх, а на одну пару квадрантов (зажим В) – измеряемое напряжение Uх. Другая пара квадрантов заземляется, и, следовательно, вращающий момент Х. Квадрантный электрометр по схеме бисквитного включения применяется также для измерения мощности. В этом случае включение следующее:
Рис. 4.29. Электрометр для измерения мощности
На обе пары квадрантов 2 и 3 подается напряжение UМ с шунта RМ, по которому протекает ток I измерительной цепи, а подвижный электрод 1 подключается к напряжению U измеряемой цепи. При этом вращающий момент электрометра пропорционален U×UМ× cos A, (А – угол поворота между напряжениями), то есть его можно использовать в качестве ваттметра. К сожалению показания прибора пропорциональны не непосредственно измеряемой мощности нагрузки, а сумме этой мощности и половине мощности потерь в шунте, то есть показания прибора необходимо вводить поправку.
Вольтметры на низкие напряжения (с пределами измерений 30-500 В) имеют защитное сопротивление, страиваемое внутрь прибора и ограничивающее ток при случайном замыкании электродов.
Рис. 4.30. Вольтметр на низком напряжении
В таких вольтметрах расстояние между электродами – пластинами очень мало (десятые доли мм), поэтому при случайных толчках и ударах возникает опасность короткого замыкания электродов. Значение защитного сопротивления рассчитывают исходя из допустимого тока через растяжки при замыкании электродов
r3 = 1,5 ×Uном/Ip,
где Uном – третий предел измерений вольтметра.
Ip – допустимый ток в растяжках.
Вольтметр включается в сеть с помощью зажимов А и Б. Подвижный электрод соединен с экраном. При высокой частоте (выше 300 кГц) из-за большой погрешности за счет емкостного тока защитное сопротивления отключается (при этом вольтметр включается в сеть посредством зажимов А и Э). Вольтметры на высокое напряжение (от 600 В и выше) защитных сопротивлений не имеют, а расстояния между электродами этих приборов велики.
Рис. 4.31. Вольтметр на высоком напряжении